JP5728647B2 - 電池デバイスおよびその操作方法 - Google Patents
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Description
生体情報測定装置40は、その構成素子を保持するシート状の保持部材41を具備する。保持部材41は、柔軟性を有する材料で構成され、その内部から表面までの領域に、温度センサ43、感圧素子45、記憶部46、情報送信部47、ボタンスイッチSW1および制御部48が埋め込まれている。薄型電池21は、保持部材41の内部に設けられた平坦な空間に収容されている。つまり、電池21と生体情報測定装置40は、一体となってシート化されており、電池−電子機器接合体42を構成している。
イオントフォレシス経皮投薬装置40Aは、その構成素子を保持するシート状の保持部材111を具備する。保持部材111は、柔軟性を有する材料で構成される。保持部材111の内部には、薄型電池からの電力を制御する半導体素子112と、一対の平坦な電極113、114と、これら一対の電極113、114とそれぞれ対面する一対のリザーバ113a、114aとが埋設されている。リザーバ113a、114aは、いずれも通電可能なゲル状の材料で構成されている。リザーバ113a、114aのいずれか一方には、イオン性薬剤が封入されている。半導体素子112は、例えば定電流ダイオードのような整流作用を有する素子であり、そのアノードは電池101の負極端子と接続され、カソードは電極113、114の一方と接続されている。リザーバ113a、114aは、人体等の生体の皮膚に直接貼付される。電極113、114の他方は電池101の正極端子と接続される。
電池デバイスを使用後に廃棄する際、電池に電力が残存している場合には、廃棄前または廃棄後の短い期間内に、電池を強制放電させておくことが望ましい。そこで、電池デバイスには、その使用後に、第1電極と第2電極とが外部短絡していない状態から外部短絡した状態に切り替えるための強制放電作動スイッチが設けられている。
図7(a)の電池デバイス42Bは、矩形の形状を有し、長手方向に沿う一方の辺の両端付近に、電池21の第1電極と第1経路を介して接続された第1SW端子104xと、電池21の第2電極と第2経路を介して接続された第2SW端子104yとを具備する。電池デバイス42Bは、例えば、薄型電池21と一体化されたイオントフォレシス経皮投薬装置40Aである。
図10は、薄型電池21の概略断面図である。図11は、電池21の上面図である。図10は、図11のX−X線断面図に相当する。電池21は、電極群13と、電極群13を収納する外装体8とを備える。電極群13は、負極11、正極12、および負極11と正極12との間に介在する電解質層7を具備する。負極11は、負極集電体シート1および負極集電体シート1の一方の表面に付着した負極活物質層2を有する。正極12は、正極集電体シート4および正極集電体シート4の一方の表面に付着した正極活物質層5を有する。負極11および正極12は、電解質層7を介して、正極活物質層5と負極活物質層2とが向かい合うように配置されている。負極集電体シート1には負極リード3が接続され、正極集電体シート4には正極リード6が接続されている。負極リード3および正極リード6の一部は、外装体8から外部へ露出しており、その露出部は負極外部端子および正極外部端子として機能する。
負極と正極とを、負極活物質層と正極活物質層とが向かい合うように配置し、電解質層を介して、重ね合わせ、電極群を構成する。このとき、負極には、負極リードを取り付け、正極に正極リードを取り付ける。一方、筒状に形成された第1外装体の一方の開口から電極群を挿入した後、その開口を熱溶着により閉じる。この時、筒状の第1外装体の一方の開口から正極リードおよび負極リードの一部が外部へ露出するように電極群を配置する。この露出部が正極外部端子および負極外部端子となる。次に、筒状の第1外装体の他方の開口から非水電解液を注入した後、その開口を熱溶着により閉じる。このようにして、電極群を第1外装体内に密閉する。
図12の電池21Aは、電極群13Aと、電極群13Aを収納する外装体8Aとを備える。電極群13Aは、1枚の負極11Aと、これを挟むように配置された一対の正極12Aと、負極11Aと正極12Aとの間に介在する電解質層7Aとを具備する。このような構造は、対称性がよく、いずれの方向に屈曲させても、電池21Aに付与される応力の程度に大きな差が生じない。よって、例えば、電池21Aを電子機器に組み込む際に、電池の方向を意識する必要がなくなる点で便利である。
ラミネートフィルム8は、無機材料層(バリア層)8aと、バリア層8aの一方の面に接着された第1の樹脂フィルム8bと、バリア層8aの他方の面に接着された第2の樹脂フィルム8cとを含む積層体である。
まず、外装体を構成するラミネートフィルムを平行部幅5mm、標線間距離20mmの引張試験3号ダンベルに切出す。この引張試験3号ダンベルを試料に用いて、JIS K7161に準拠して5mm/分の引張速度にて万能試験機を用いて引張試験を行い、引張弾性率を求める。
以下の手順で、基本的な構造が図10、11に示す電池と同様である薄型電池を作製した。
負極集電体シート1として、厚さ12μmの電解銅箔を準備した。その電解銅箔の一方の面に、負極活物質層2であるリチウム金属箔(厚み20μm)を100N/cmの線圧で圧着し、負極11を得た。これを5mm×5mmのタブ部を一方の短辺の中央に有する50×50mmのサイズに切り抜いた後、タブ部に銅製の負極リード3を超音波溶接した。
正極活物質である350℃で加熱した電解二酸化マンガンと、導電剤であるアセチレンブラックと、結着剤であるポリフッ化ビニリデン(PVDF)を含むN−メチル−2−ピロリドン(NMP)の溶液とを、二酸化マンガン:アセチレンブラック:PVDFの重量比が100:5:5となるように混合した後、NMPを適量加え、正極合剤ペーストを得た。
負極活物質層2と正極活物質層5とが互いに向かい合うように負極11および正極12を配置した。ただし、正極リードと負極リードは、互いに逆方向に突出させた。その後、負極11と正極12との間に、微多孔性ポリエチレンフィルム(厚さ9μm、幅32mm)からなるセパレータを配置し、電極群13を得た。
アルミニウム製のバリア層を有する筒状のラミネートフィルムからなる外装体8に電極群13を収納した。ラミネートフィルムには、PP層(厚さ35μm)/アルミニウム蒸着膜(厚さ0.05μm)/ナイロン(PA)層(厚さ15μm)の3層構造で、総厚約50μm、引張弾性率50MPaのものを用いた。PP層を内側に、PA層を外側に配置した。
図3、4に示すようなサイズ80mm×70mmのイオントフォレシス経皮投薬装置を準備した。投薬装置の一方の面の中央には、定電流ダイオードを有する半導体素子112を配置し、他方の面には、一対の電極113、114およびこれに積層された一対のリザーバ113a、114aを並列に配置した。半導体素子112の両側には、電極113、114と導通する一対の接続用端子を配置した。その一対の接続用端子を、それぞれ電池の負極外部端子23および正極外部端子24と接触させるとともに、図4Bに示すように、電池と投薬装置を積層した。電池に塗布された粘着剤により、電池と投薬装置は互いに固定された。
電池デバイスの投薬装置を作動させ、電池容量の10%を消費させた。そして、投薬装置の一対のリザーバが互いに接触するように、電池−電子機器接合体を二つ折にして固定した。24時間後に電池電圧を測定したところ、0.05Vであり、電池が完全放電状態であることが確認できた。
Claims (18)
- 第1電極、第2電極および前記第1電極と前記第2電極との間に介在する電解質層を具備するシート状の電極群と、前記電極群を密閉収納する外装体と、を含む薄型電池を具備し、
前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡した状態と、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡していない状態と、を切り替えるための強制放電作動スイッチを有し、
前記強制放電作動スイッチが、
前記第1電極と電気的に接続された短絡形成用の第1SW端子と、
前記第2電極と電気的に接続された短絡形成用の第2SW端子と、を具備し、
前記第1SW端子と前記第2SW端子とが電気的に非接続の状態から接続された状態に切り替えられることにより、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡して前記電池の強制放電が行われる、電池デバイス。 - さらに、前記電池からの電力供給により駆動される電子機器を具備する、請求項1記載の電池デバイス。
- 前記電池と前記電子機器とが、一体となってシート化されている、請求項2記載の電池デバイス。
- 前記電池デバイスを折り曲げることにより、前記第1SW端子と前記第2SW端子とが接続可能となる、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池デバイス。
- 前記電池デバイスが折り曲げられて、前記第1SW端子と前記第2SW端子とが接続された状態で、前記電池デバイスの折り曲げが固定される、請求項4記載の電池デバイス。
- 前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡したときに形成される外部短絡回路が、前記第1電極と前記第2電極に対して直列に接続された1kΩ以上の抵抗を備える、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電池デバイス。
- 前記電子機器が、生体情報測定装置または生体に対向させる一対の電極を有するイオントフォレシス経皮投薬装置である、請求項2〜6のいずれか1項に記載の電池デバイス。
- 前記電子機器が、前記イオントフォレシス経皮投薬装置であり、
前記一対の電極の一方が、前記第1SW端子と一体に形成されており、
前記一対の電極の他方が、前記第2SW端子と一体に形成されている、請求項7記載の電池デバイス。 - 前記電池の厚さが、1mm以下である、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電池デバイス。
- 前記外装体の引張弾性率が、10〜700MPaである、請求項1〜9のいずれか1項に記載の電池デバイス。
- 前記外装体は、水蒸気に対するバリア層および前記バリア層の両面に形成された樹脂層を含み、前記バリア層の厚さが、35μm以下である、請求項10記載の電池デバイス。
- 前記第1電極は、第1集電体シートおよびその表面に付着した第1活物質層を含み、
前記第2電極は、第2集電体シートおよびその表面に付着した第2活物質層を含み、
前記電解質層は、非水電解質を含み、かつ前記第1活物質層と前記第2活物質層との間に介在している、請求項1〜11のいずれか1項に記載の電池デバイス。 - 前記第1活物質層が、前記第1集電体シートの一方の表面のみに付着しており、
前記第2活物質層が、前記第2集電体シートの一方の表面のみに付着しており、
前記第1集電体シートの他方の表面および前記第2集電体シートの他方の表面は、前記外装体の内面と接している、請求項12記載の電池デバイス。 - 一対の前記第1電極を具備し、
前記第1活物質層は、前記第1集電体シートの一方の表面のみに付着しており、
前記第2活物質層は、前記第2集電体シートの両方の表面に付着しており、
前記第2電極は、前記一対の第1電極の第1活物質層間に挟持されており、
前記一対の第1電極の第1集電体シートの他方の表面は、それぞれ前記外装体の内面と接している、請求項12記載の電池デバイス。 - 前記第1活物質層または前記第2活物質層が、金属リチウムまたはリチウム合金を含む、請求項12〜14のいずれか1項に記載の電池デバイス。
- 第1電極、第2電極および前記第1電極と前記第2電極との間に介在する電解質層を具備するシート状の電極群と、前記電極群を密閉収納する外装体と、を含む薄型電池を具備し、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡した状態と、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡していない状態と、を切り替えるための強制放電作動スイッチ、を有する電池デバイスの操作方法であって、
前記強制放電作動スイッチが、
前記第1電極と電気的に接続された短絡形成用の第1SW端子と、
前記第2電極と電気的に接続された短絡形成用の第2SW端子と、を具備し、
前記電池の通常放電中は、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡していない状態を維持し、
前記電池の通常放電後は、前記第1SW端子と前記第2SW端子とを電気的に非接続の状態から接続された状態に切り替えることにより、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡していない状態から、前記第1電極と前記第2電極とが外部短絡した状態に切り替えて、前記電池を強制放電させる、操作方法。 - さらに、前記電池からの電力供給により駆動される電子機器を具備する、請求項16記載の電池デバイスの操作方法。
- 前記電池デバイスを折り曲げることにより、前記第1SW端子と前記第2SW端子とが接続可能となる、請求項17記載の電池デバイスの操作方法。
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